Dans la quête d’une énergie propre et renouvelable, l’hydrogène joue un rôle important. Mais l’un des principaux défis de cette transition est que ce gaz est explosif lorsqu’il est mélangé à l’air. C’est pourquoi il est crucial de pouvoir détecter les fuites d’hydrogène le plus tôt possible. Des chercheurs de l’université de technologie de Chalmers, de la Vrije Universiteit Amsterdam et de l’université de technologie d’Eindhoven ont mis au point un capteur optique capable de détecter de très faibles niveaux d’hydrogène.
L’hydrogène est considéré comme un élément important de la décarbonisation du secteur des transports lourds et, dans le monde entier, des trains, des camions et des avions fonctionnant à l’hydrogène sont développés et déployés. Même dans l’industrie lourde, l’hydrogène est considéré comme très important, par exemple pour la production d’acier non fossile.
Les risques liés au stockage ou à l’utilisation de l’hydrogène sont bien connus. Il suffit de quatre pour cent d’hydrogène dans l’air pour former un mélange explosif (knallgas) qui peut s’enflammer à la moindre étincelle. Il est donc important que des capteurs ultra-sensibles soient en place pour surveiller les fuites et donner l’alerte en cas de niveau critique.
La sécurité est primordiale dans l’utilisation de l’hydrogène
En collaboration avec des collègues néerlandais, des chercheurs du département de physique de l’université de technologie de Chalmers, en Suède, ont mis au point un capteur optique d’hydrogène qui détecte des niveaux d’hydrogène plus bas que jamais. Il rejoint ainsi les capteurs les plus sensibles au monde. Les nouveaux résultats de la recherche sont présentés dans un article paru dans Nature Communications.
« La sécurité est de la plus haute importance dans toute utilisation et tout stockage d’hydrogène. Si les fuites sont détectées à un stade précoce, elles peuvent être réparées, de sorte que l’on peut espérer ne pas avoir à mettre l’installation ou le véhicule hors service du tout« , explique Christoph Langhammer, professeur à l’Université Chalmers et l’un des principaux auteurs de l’article scientifique.
La technologie de l’IA a ouvert la voie
Le capteur optique d’hydrogène se compose de nombreuses nanoparticules métalliques qui fonctionnent ensemble pour détecter l’hydrogène dans leur environnement. L’approche adoptée pour la conception de ce nouveau capteur diffère de ce qui a été fait auparavant. Au lieu de produire un grand nombre d’échantillons et de les tester individuellement pour voir lequel fonctionne le mieux, les chercheurs ont utilisé une technologie d’IA avancée pour créer l’interaction optimale entre les particules en fonction de leur distance les unes par rapport aux autres, de leur diamètre et de leur épaisseur. Le résultat est un capteur qui détecte des variations de la concentration d’hydrogène aussi faibles que quelques centaines de millièmes de pour cent.
Le secret de la faible limite de détection du nouveau capteur réside dans la combinaison de la disposition des particules en un motif régulier sur une surface et de leurs dimensions ajustées. Cette combinaison s’est avérée plus favorable à la sensibilité du capteur que la disposition aléatoire des particules utilisée dans les capteurs précédents du même type.
Le groupe de recherche de Christoph Langhammer a déjà été en mesure de présenter le capteur d’hydrogène le plus rapide du monde. Pour lui, il est clair que de nombreux types de capteurs différents sont nécessaires et qu’ils doivent être optimisés pour des applications spécifiques.
« La technologie de l’hydrogène a fait un pas de géant et les capteurs d’aujourd’hui doivent donc être plus précis et adaptés à différents objectifs. Parfois, il faut un capteur très rapide, parfois un capteur qui fonctionne dans un environnement chimique difficile ou à basse température. Un seul capteur ne peut pas répondre à tous les besoins« , explique Christoph Langhammer, qui est également l’un des fondateurs d’un nouveau centre de compétences : TechForH2.
Nouvelle collaboration entre l’industrie et le monde universitaire dans le domaine de l’hydrogène
Le nouveau centre dirigé par Chalmers réunit à la fois le monde universitaire et l’industrie pour développer une nouvelle technologie de l’hydrogène axée sur la décarbonisation des systèmes de transport lourds. TechForH2 est dirigé par le professeur Tomas Grönstedt du département de mécanique et de sciences maritimes de l’université Chalmers.
« Lorsque la communauté de la recherche et l’industrie fusionnent, cela peut nous faire passer au niveau supérieur, de sorte que ce que nous produisons peut être appliqué et répondre aux besoins et aux défis qui existent dans l’industrie. Cela s’applique au développement de capteurs, ainsi qu’à la recherche liée à la propulsion de véhicules lourds ou d’avions à l’aide d’hydrogène« , explique Tomas Grönstedt, qui mentionne qu’un avion électrique d’une autonomie de 500 kilomètres pourrait augmenter son autonomie à 3000 kilomètres s’il était alimenté en hydrogène.
Comment fonctionne le capteur optique d’hydrogène
Le capteur que les chercheurs ont mis au point est basé sur un phénomène optique, les plasmons, qui se produisent lorsque des nanoparticules métalliques captent la lumière et donnent aux particules une couleur distincte. Si les nanoparticules sont faites de palladium ou d’un alliage de palladium, leur couleur change lorsque la quantité d’hydrogène dans l’environnement varie, et le capteur peut déclencher une alarme si les niveaux deviennent critiques.
Pour trouver la combinaison ultime de la disposition sur la surface et de la géométrie des particules dans le capteur, les chercheurs ont utilisé un algorithme d’intelligence artificielle appelé optimisation par essaimage de particules pour obtenir la plus grande sensibilité possible à l’exposition à l’hydrogène. La solution a consisté à placer les particules selon un motif régulier très précis.
Sur la base de la conception IA, le capteur optique d’hydrogène optimisé a été fabriqué et vérifié comme étant le premier de son genre à détecter optiquement l’hydrogène dans la gamme des « parties par milliard » (250 ppb).
En savoir plus sur la recherche
L’article scientifique intitulé « Inverse designed plasmonic metasurface with parts per billion optical hydrogen detection » a été publié dans Nature Communications et a été rédigé par Ferry Anggoro Ardy Nugroho, Ping Bai, Iwan Darmadi, Gabriel W. Castellanos, Joachim Fritzsche, Christoph Langhammer, Jaime Gómez Rivas et Andrea Baldi. Les chercheurs sont actifs à l’Université de technologie de Chalmers, à l’Université de technologie d’Eindhoven et à la Vrije Universiteit Amsterdam. Les chercheurs de Vrije et d’Eindhoven sont à l’origine de la conception assistée par ordinateur de la surface du capteur et de la caractérisation de ses propriétés optiques, tandis que les chercheurs de Chalmers ont fabriqué la surface du capteur et effectué les mesures de détection de l’hydrogène.
Les chercheurs de Chalmers ont fabriqué la surface du capteur et effectué les mesures de détection de l’hydrogène. L’applicabilité pratique du nouveau capteur va maintenant être étudiée plus en détail au sein du nouveau centre de compétences TechForH2, coordonné par Chalmers.
La recherche a été partiellement financée par la Fondation suédoise pour la recherche stratégique et l’Agence suédoise de l’énergie. Une partie des travaux s’est déroulée dans la salle blanche de Chalmers et au Chalmers Material Analysis Laboratory (CMAL), dans le cadre de l’initiative Nano de Chalmers Excellence.
En savoir plus sur le nouveau centre de compétences TechForH2
TechForH2 est un centre de compétences pour la technologie de l’hydrogène qui est coordonné et dirigé par Chalmers, avec l’institut de recherche suédois RISE comme partenaire universitaire. Un certain nombre de partenaires industriels sont impliqués dans TechForH2 : Volvo, Scania, PowerCell, Johnson Matthey, Oxeon, GKN Aerospace, Insplorion, Siemens Energy et Stena.
TechForH2 se concentrera, entre autres, sur le stockage d’énergie intégré au véhicule, les besoins de l’industrie manufacturière, les capteurs, les piles à combustible et les technologies/instruments et innovations de la future société de l’hydrogène.
Le centre de compétences a reçu un financement de 54 millions de SEK de l’Agence suédoise de l’énergie et dispose d’une offre totale de 161 millions de SEK pour les cinq premières années, avec la possibilité d’une prolongation de cinq ans.
Avec le soutien de neuf nouveaux doctorants et de huit chercheurs postdoctoraux, l’espoir est maintenant de pouvoir contribuer à l’acquisition de connaissances et à l’éducation dans le domaine, et d’accélérer le rythme d’introduction de la nouvelle technologie de l’hydrogène pour contribuer ainsi à la transition vers une société sans combustibles fossiles.
Image/Graphique/Illustration : Université de technologie de Chalmers
